垂直扫描白光干涉表面三维形貌测量系统

依据白光干涉理论,研制了垂直扫描白光干涉表面三维形貌测量仪。重点对实现垂直扫描运动的工作台进行了分析。所研制的测量系统具有1nm的垂直分辨力,可用于表面粗糙度、台阶、膜厚、球面等三维形貌测量。     

光学薄膜损伤表面三维微观形貌的仿真与重构

通过对激光作用薄膜元件后的损伤过程和图像损伤特征进行分析与研究,借助光学薄膜损伤表面三维微观形貌的重构,揭示薄膜元件损伤机理。基于白光干涉显微原理,采集薄膜损伤表面的干涉显微三维云数据,运用Delaunay三角剖分法构建损伤表面的三角网格模型,通过可视化仿真,实现了损伤表面三维微观形貌的再现。结果表明:实验测试的HfO_2薄膜表面损伤区域呈坑状凹陷,损伤形貌不规则,内部有鼓包、裂纹存在,边缘处陡度变化大、毛刺较多;对重构图像、VEECO Vision软件处理结果、Taylor-Hobson非接触式轮廓仪测试结果进行对比后发现,重构图像能更直观、全方位地再现损伤表面细微形貌。研究结果给分析损伤表面形貌特征、调控高损伤阈值薄膜制备工艺提供了技术支持。     

透明薄膜的干涉相干峰分离算法

白光干涉技术具有高度唯一性,广泛地被使用在三维表面形貌和台阶高度的测量。但是测量透明薄膜时,薄膜表面和基面都有光线反射与参考光线交汇,在被测表面的同一个位置不同高度两次产生干涉条纹,其干涉相干图中出现两个峰值。通过分析透明薄膜产生的干涉相干图的特点,提出了两种算法用来分离不同表面产生的干涉条纹。理论分析和试验结果表明,利用垂直扫描白光干涉法测量透明薄膜,由峰值分离算法和定位算法分别提取薄膜的上下表面,能够得到透明薄膜的高精度三维形貌和厚度信息。     

用白光相移干涉增大表面形貌可测范围的研究

分析研究了我相移干涉应用于表面形貌测量时表面形貌与干涉图像之间的关系,比较了两种不同光谱分布的光束的白光相移干涉特性。依据白光相移干涉中与干涉光强有关的一些特定参量与表面形貌之间的一一对应关系,提出了一种不直接测量相位、避开相位测量不确定性的新方法。所提方法扩大了可测深度范围,可用于测量面形较陡的连续表面或不连续深结构表面。     

表面微观形貌测量及其参数评定的发展趋势

由于表面加工质量的不断提高，对微观形貌测量技术提出了更高的要求。传统触针式轮廓仪测量具有稳定、可靠、测量动态范围大等优点，但会划伤被测表面；而非接触式形貌测量技术克服了接触式测量易划伤表面的缺点，它主要包括光学散射法、各种光探针法、光学显微干涉法以及采用ＳＥＭ、ＳＴＭ、光子隧道显微镜和原子力显微镜（ＡＦＭ）来探测表面微观形貌的方法。各种测量方法均有其优点和局限性。光学测量方法由于受衍射限制，使其横向分辨率很难提高，在测量大斜率及台阶表面时，测量误差很大。而ＡＦＭ被公认为是一种理想的表面微观形貌测量方法。此外，在表面微观形貌评定方面，国际上正积极探索各种三维评定参数以取代原来的二维参数。     

双光路双波长相移干涉显微法测量衍射光学元件形貌

衍射光学元件（ＤＯＥ）表面形貌的测量需要解决因表面结构深度较大和表面不连续给测量带来的困难。本文将双波长测量法的思想推广应用到不连续深结构表面的测量,并提出了一种新型数据处理方法,有效地克服了这些困难。理论分析和测量结果表明,基于这些方法的三维表面形貌测量系统纵向分辨率为０．５ｎｍ,横向分辨率约为０．５μｍ（ＮＡ＝０．４）,在整个纵向测量范围内重复测量精度地１．３ｎｍ,满足了衍射光学元件表面形貌测     

透明软质薄膜的表面形貌测量

为了实现光刻胶表面形貌的广域、高精度测量,对新一代测量理论及测量方法进行了研究。首先分析了被测物件的特性,根据其柔软、透明的特征提出应用光干涉法和机械探针相结合的方法进行测量,同时阐明了使用此方法进行表面形貌测量的优点,并据此原理搭建了光学多探针表面形貌测量装置,光学测量部分采用白光干涉计,探针部分采用拥有8只球型探头的多点悬臂测量探针。然后应用此装置对标准刻槽试件和半透明光造型薄膜试件进行了测量。测量52 nm的标准刻槽试件时得到了测量误差小于2%,标准偏差小于1 nm的结果,表明本装置可以达到高精度测量表面形貌的目的。通过测量高约400 nm的树脂材料证实了此装置可以克服多重反射的影响测量透明薄膜的表面形貌。     

基于白光干涉测试技术的改进Carré相移算法

为了减小白光相移干涉法测量物体微观形貌时产生的误差,对极值法的搜索路径进行优化后与Carré相移算法相结合,提出一种基于白光干涉测试技术的改进Carré相移算法.该算法减小了光源扰动及电荷耦合元件散粒噪声带来的影响,且对相移器的线性误差不敏感,免去了相位解包裹过程,提高了运算效率.采用单刻线样块对扫描步距进行校准实现了光源中心波长的在线修正,减小了由于光源特性及环境扰动误差带来的影响.采用不同算法对标准粗糙度样块进行三维形貌恢复以及表面粗糙度的重复性测量实验,结果表明:该算法对表面粗糙度的测量结果较传统白光干涉算法准确度提高,测量重复性优于1%.     

鸥翼型非球面元件的白光干涉拼接测量

针对鸥翼型非球面面形检测的难题,提出了一种白光干涉拼接测量方案。基于白光显微干涉测量结合子孔径拼接的测量原理对扫描路径进行规划。搭建白光干涉拼接测量平台完成了对10 mm鸥翼型非球面的59个子孔径的高精度测量。利用同步子孔径拼接算法对测得的子孔径数据进行拼接,得到了全口径面形误差。开展了利用高精度轮廓仪和计算机生成全息图(CGH)补偿器对鸥翼型非球面面形进行检测的对比实验。结果表明,所提检测方案的面形误差数值和分布均与高精度轮廓仪和CGH补偿器得到的结果吻合,有效验证了所提测量方案的正确性。     

双探头三维表面轮廓测量系统

提出了一种将原子力显微(AFM)探头与位置敏感探测器测距探头相结合的双探头三维表面轮廓测量新方法, 可在获取样品表面轮廓的同时, 测定样品局部形貌。搭建了双探头三维表面轮廓测量系统, 阐述了系统的工作原理, 并对其结构组成包括双探头、步进扫描台和计算机控制平台进行了说明。用2000 line/mm的光栅进行了扫描实验, 对系统的测量范围进行了标定。以外径8 mm、内径4 mm的金属垫圈为样品, 进行了整体三维表面轮廓与局部表面形貌测量实验, 给出了垫圈表面图和局部三维形貌图。结果表明, 该系统能满足不同尺寸和材质的样品的测量要求, 即可实现对样品轮廓的大范围扫描测量, 又可对样品局部进行高精度形貌测量。     

光栅投影式三维肖像测量的关键技术

提出了一种在光栅投影式三维肖像测量系统中光栅投影平面的标定方法,讨论了该方法在应用中需要注意的问题。根据光栅投影式测量系统所获取的三维点群的特点,提出了基于线状分布的对三维测量点群进行曲面重建的方法,在对人物肖像的拟合应用中,既可确保所生成的三角形片形状良好,又可避免三维点的遗漏、曲面裂缝或形成孔洞,生成的三角片所逼近的人物肖像具有很好的连续性和光顺性。     

结构光三维成像系统的计算机仿真

基于相位测量轮廓术和摄像机模型,提出一种结构照明三维成像系统的高精度计算机仿真算法。对于给定的物体三维模型,首先根据系统结构,采用Z缓冲技术消除遮挡和阴影部分,得到与摄像机像素点对应的物体表面采样点三维坐标,再使用统一的数学模型和方法处理投影过程。根据摄像机及投影仪的内、外参数,最终得到了摄像机像素点、物体表面采样点和投影仪像素坐标三者之间的对应关系,从而实现了结构照明三维成像系统仿真。为实际系统的结构设计、调整和参数校正提供了参考。     

一种新的360°三维轮廓术

提出了运用相移技术的光刀投影式测量３６０°回转物体三维轮廓的新方法。该方法对投影光刀引入正弦分布光场,利用相移技术对光刀投影狭缝进行相位计算,可得出各点的包裹相位分布,然后再利用光刀投影测量原理得到的高度信息对相位进行去包裹处理,从而得到具有较高精度的相位测量结果。最后根据相位与物体高度的几何关系,得到物体的三维轮廓数据。文中详细介绍了这一技术的原理及实验结果     

用Hough变换提高激光光斑中心定位精度的算法

在激光扫描大型三维曲面测量中, 激光光斑中心的准确定位是提高测量分辨力的关键。当测距范围较大时, 受多种因素的影响, 激光光强分布严重不均致使其几何中心与强度中心发生了偏离。此时, 传统的光斑中心提取方法不能适用。为此, 根据光斑图像仍能给出圆形光斑的大部分轮廓这一特点, 提出了基于Ｈｏｕｇｈ 变换的激光光斑中心读取方法。实验结果表明该方法对提高大型三维曲面测量精度是有效的。     

基于相移的彩色结构光编码三维扫描技术

在物体三维轮廓扫描中,被动式双目立体视觉方法对表面特征不明显的物体难以获取足够的三维信息,针对这一问题,基于双目立体视觉原理,结合主动视觉中结构光投射方法,提出了基于相移的彩色结构光编码方法。该方法将四种颜色按照全排列的相关性质编码产生彩色光栅投射在被测物体表面,依据光栅相位移动增大光栅密度,结合极线约束实现立体匹配,最终获取物体三维数据。结果表明使用该三维扫描技术得到的三维曲面符合原物特征,特别适用于物体三维轮廓的致密测量。     

多光刀三维轮廓快速测量方法研究

提出了一种三维自由曲面多光刀快速测量方案,阐述了此方法的测量原理,讨论了多光刀阵列的实现方法,分析了影响其测试精度的主要因素.提出了采用虚拟网格标定法对各光刀分别进行标定,以及运用光刀编码的方法实现对复杂自由曲面测量的方法,结果表明:该方法是一种快速有效的三维轮廓测量方法.     

3D imager using dual color-balanced lights

A novel method for grabbing 3D shape of an object is proposed. It uses a pair of color-coded light sources to create a 3D-coordinated illumination space. The intensities of two modulation colors are complementally balanced, which makes the sum of the intensities of the colors a constant. This method demonstrates the abilities of uniquely representing any point in the 3D-coordinated illumination space, reducing the measuring problems in blind area, and compensating the effect caused by changes of surface color and reflection. In addition, this method has the ability of acquiring the 3D shape information in parallel and the algorithm is fairly simple, so the 3D imaging speed is basically restricted by the frame rate of the color CCD camera.     

共焦显微镜三维轮廓快速测量方法及其误差分析

共焦显微术在生物学及工程应用中已成为一种有效的测量、观察方法。本文针对共 焦显微三维测量系统提出了一种高精度快速算法,并进行了误差分析与计算机仿真。对实际 共焦三维测量系统的设计具有重要意义。     

A flexible new three-dimensional measurement technique by projected fringe pattern

Aimed at the problems of inferior precision and bad maneuverability for three-dimensional (3D) measurement by projected fringe pattern, a flexible new 3D technique for performing system calibration and measuring was proposed. First, we analyzed the principle of conventional 3D measurement with projected fringe pattern, and pointed out the shortcoming of measurement system. Then, the CCD camera calibration technique is analyzed and we set up the perspective projection model which transforms the computer image coordinate to 3D world coordinate, and we get the coordinate of the CCD camera image lens. Third, the position of projection lens optical center can be obtained using the above model. At last, some experiment results presented show that this technique is more simple and robust in engineering than conventional measurement method.